GPS-RTK在三維數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用
前言
近些年來，隨著測繪技術(shù)的飛速發(fā)展，各式各樣新的測繪儀器和測繪技術(shù)正快速走向和充實各個專業(yè)測量隊伍。伴隨著社會的不斷進步和發(fā)展，測繪數(shù)據(jù)成果在各行各業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中顯得日益重要。新的測繪技術(shù)和發(fā)展正代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量工作模式，工作強度大大減輕，工作效率成倍提高，為城市建設(shè)和發(fā)展起了推動性作用。由于GPS技術(shù)的飛速發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。
2011年度甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)中GPS — RTK技術(shù)的運用，能夠方便，快捷，高精度地對點位進行實時動態(tài)定位測量，既滿足了隨時變動，節(jié)省人力和物力，又能隨時得到定位數(shù)據(jù)的新要求。顯示出GPS — RTK測繪技術(shù)強大的，高精度的動態(tài)優(yōu)勢，給測繪工作和數(shù)據(jù)維護帶來了很大的方便。
一、GPS定位的工作原理簡述
1. GPS 相對定位原理
兩臺（或多臺）GPS用戶接收機分別安置在兩條（或多條基線的端點），同步同時段（或不同時段）觀測相同數(shù)量的GPS衛(wèi)星，一般情況下不少于4個。并對觀測量進行差分處理，以確定基線端點（也就是我們常說的測站點）的相對位置，如果知道其中幾個點的坐標和高程，通過專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)處理，就可以解算其它點的坐標和擬合高程值，以最大限度地滿足工作的需要。
在多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差，衛(wèi)星時鐘差，接收機鐘差以及空氣中的電離層，對流層折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關(guān)性。利用觀測量的不同組合，可有效地消除或減弱誤差上的影響，從而提高相對定位的精度。
2. GPS-RTK 實時動態(tài)定位原理簡述
GPS 實時動態(tài)定位是基于載波相位的GPS相對定位方式。采用的星歷為廣播星歷，誤差修正方式采用基準站相位誤差改正，精度可達到cm級。
GPS – RTK測量技術(shù)既保證了GPS測量的高精度，又具有實時動態(tài)性。其基本工作原理可簡述為：在兩臺GPS接收機之間增加一套無線電通訊系統(tǒng)。將兩臺或兩臺以上相對獨立的GPS接收機聯(lián)成有機整體，安置在已知點上的GPS接收機（我們常說的是基準站）通過電臺將觀測信息，測站點數(shù)據(jù)傳輸給流動站（我們常說的移動站），流動站將基準站傳來的載波觀測信號與流動站本身觀測到的載波信號進行差分處理，從而解算出兩站間的基線向量；根據(jù)事先輸入的坐標轉(zhuǎn)化和投影參數(shù)，就可得到流動站的三維坐標數(shù)據(jù)。
GPS – RTK測量技術(shù)是建立在流動站與基準站誤差強烈類似的這一基礎(chǔ)之上，隨著流動站與基準站之間距離的增加，其誤差的類似性越來越差，定位精度會越來越低。數(shù)據(jù)的通信也會受到作用距離拉長，而干攏因素增加的影響。因此GPS – RTK技術(shù)的作用距離是有限的，一般小于10公里。
GPS – RTK作業(yè)流程示意如下圖
3. 三維數(shù)字城市建設(shè)工作簡述
三維數(shù)字城市建設(shè)指的是利用項目區(qū)的基礎(chǔ)圖件資料（最新的1：500或1：1000大比例尺地形圖），通過調(diào)繪項目區(qū)的建筑物和重要地物的幾何尺寸，加上近景攝影測量所得到的外業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件Skyline三維數(shù)字地球平臺軟件。，三維動畫制作軟件 3Ds max等。將基礎(chǔ)圖件上的有關(guān)地物，通過專業(yè)技能加工成立體圖形，使之圖形成為直觀、易懂，容易判讀的立體圖件。為城市管理，規(guī)化和設(shè)計等部門提供便利。
二、GPS – RTK技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用
本文以靜寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)中所需的像控點三維坐標數(shù)據(jù)和擬合高程數(shù)據(jù)為例，簡要闡述GPS – RTK 測繪技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用。項目要求：按照數(shù)字城市建設(shè)規(guī)范和《測量規(guī)范》要求，提供靜寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)項目中所需像控點坐標和高程數(shù)據(jù)。
1. 采用基準、系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)來源
采用基準為1985國家程基準。坐標系統(tǒng)為1995靜寧縣城區(qū)坐標系統(tǒng)，其中央子午線為東經(jīng)105°。投影面為測區(qū)平均高程面1660米。
起算數(shù)據(jù)為2008年靜寧縣城鎮(zhèn)地籍調(diào)查時，由天水三和數(shù)碼測繪院所做的一級GPS導(dǎo)線點，其高程數(shù)據(jù)為四等水準測量平差后數(shù)據(jù)。均由靜寧縣國土資源局提供。共收集9個已知點D01，G09，EG003等。坐標，高程系統(tǒng)及精度均滿足規(guī)程和本項目設(shè)計要求。作參數(shù)控制點網(wǎng)圖如下：
投入使用的儀器為：中海達GPS-RTK1+1臺套，標稱精度<=（10mm+2pmm×D），自動安平水準儀DZS3-1型一臺，必要后勤保障。
2. 測區(qū)概況
本次工作區(qū)域為靜寧縣縣城建成區(qū)和遠景規(guī)化區(qū)，東至隴興化工公司，南至靳家寺，西至火柴廠，北至八里鋪鎮(zhèn)，共計面積約30平方公里。項目區(qū)內(nèi)北側(cè)國道312線至東向西繞城穿過，城區(qū)內(nèi)成紀大道，阿陽路，西環(huán)路，中街，北環(huán)路，北二環(huán)路縱橫交錯，交通便利。
工作區(qū)內(nèi)涉及城關(guān)鎮(zhèn)，八里鋪鎮(zhèn)及八里工業(yè)園區(qū)。其中城關(guān)鎮(zhèn)包含5個行政村，5個居委會，是縣城政治，經(jīng)濟，文化交流中心。八里鋪鎮(zhèn)包含2個行政村，一個工業(yè)園區(qū)。城鄉(xiāng)結(jié)合部種植大面積蘋果園和其它經(jīng)濟作物，是當?shù)鼐用裰饕?jīng)濟收入來源，但給測繪工作帶來不便。
3. 像控點的布設(shè)
根據(jù)項目設(shè)計要求，大部分像控點主要布設(shè)在城區(qū)主要干線附近，點位選在視野開闊，視場內(nèi)障礙物高度未超過15°的開闊處，且遠離大功率的無線電發(fā)射源和高壓輸電線，大面積積水區(qū)域。遠離高壓線距離大于100米，遠離發(fā)射源距離大于200米?；旧蠞M足三維數(shù)字城市建設(shè)對像控點的布設(shè)要求。對所選點位位置打入鋼釘作為標志，鋼釘中心刻有“十”字作為點位中心標記。
4. 經(jīng)實地踏勘檢測，所收集的9個已知點點位保存完好，中心標志清晰無損，可作為測區(qū)的起算數(shù)據(jù)。
5. 基準站點位的選擇
在GPS – RTK測量方法中，關(guān)鍵在于基準站與流動站點位的選擇上。在該項目中像控點的布設(shè)是事先確定的，也就是說流動站的點位已確定好了不能變動，只要選擇好基準站的位置，便可以進行RTK測量?；鶞收疚恢玫倪x擇有兩種情況：1. 基準站架設(shè)在已知點上。2. 基準點架設(shè)在未知點上。本項目選擇的是第二種情況。兩種情況各有利弊，以方便工作，滿足技術(shù)要求為準，在實際工作中無具體要求。
基準站點位的選擇注意了以下幾個方面：
1. 點位的選擇應(yīng)遠離大功率的無線電發(fā)射臺和高壓輸電線，以避免其周圍磁場對GPS衛(wèi)星信號的干攏，接收機天線與其距離一般不小于200米。
2. 基準站應(yīng)先在易安置接收機設(shè)備的地方，并且視場要開闊，點位周圍高度角大于15度，且以上天空無障礙物。
3. 還應(yīng)考慮基準站周圍具有良好的通信設(shè)施和電力供應(yīng)以供基準站與流動站之間的聯(lián)絡(luò)和設(shè)備用電。
4. 從靜寧縣國土局收集到的已知點之間的距離不超過3000米，符合RTK測量技術(shù)范圍要求（不超過10公里）。根據(jù)實地情況基準站架設(shè)在遠離大功率的無線電發(fā)射臺和高壓輸電線，視場開闊，高度角15°以上天空無障礙物的靜寧縣國土資源局辦公大樓6樓頂上，在作好相應(yīng)的安全保護措施情況下，便可以開始工作。
5. 根據(jù)9個已知點在該測區(qū)的具體位置，本項目區(qū)域坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)由收集到的9個已知點，實時動態(tài)定位測量數(shù)據(jù)計算得出。檢查其它已知點數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：
標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)滿足技術(shù)要求。切實可行。
6. 野外RTK測量
將作好的轉(zhuǎn)換參數(shù)以文件形式，存入到觀測記錄手簿中，基準站架設(shè)在參考點上，經(jīng)過檢查校正無誤后，即可開始工作。檢查校核數(shù)據(jù)見下表：
GPS – RTK外業(yè)觀測的基本要求：采樣率為1S，每次測量的歷元數(shù)小于10個，每點觀測時間不低于3分鐘。平面點位精度小于2cm（即實測點值與原已知點值相比較的X Y值），高程點位互差小±5cm（即實測點高程值與原已知點高程值相比較）。依據(jù)技術(shù)要求，依據(jù)技術(shù)要求，對實地所布設(shè)的像控點進行實時動態(tài)定位測量。按工作計劃，經(jīng)過五天外業(yè)工作，實時動態(tài)定位測量共計169個像控點的坐標和擬合高程數(shù)據(jù)（成果數(shù)據(jù)見像控點成果表）。
三、 GPS – RTK擬合高程與水準測量成果即的相互檢測
為保證GPS – RTK擬合高程的正確性，為今后相同項目工作流程打好基礎(chǔ)。我們采用隨機抽樣的方式，分別就城區(qū)，城鄉(xiāng)結(jié)合部抽取一定數(shù)量的GPS – RTK擬合高程點，按國家四等水準測量要求進行水準觀測，檢核這些擬合高程點。根據(jù)項目區(qū)像控點點位布設(shè)情況和已知水準點所處位置。本項目區(qū)四等水準路線，由三個已知點，三個閉合環(huán)共計22.5Km組成。其中包括兩條附合水準路線組成水路線網(wǎng)。外業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)過自檢、互檢、專檢、審核平差計算成果精度完全滿足《規(guī)范》要求和項目區(qū)設(shè)計要求。最終平差結(jié)果和精度統(tǒng)計如下：
1. 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核：閉合環(huán)最大閉合差+28mm，允許值：±56mm。附合路線閉合差最大14mm，允許值：±22mm。閉合環(huán)路線最大長度11.34Km，允許值：15Km。附合路線長度最大1.28公里，允許值：15Km。
2. 平差后精度統(tǒng)計：最大點位誤差1.028cm，允許值：±2cm。最大點間誤差0.85cm.，允許值±1cm。最大高差中誤差0.85cm，允許值±1cm。高程點最大中誤差0.9cm，允許值：±2cm。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：
從上面的檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計表結(jié)果中可以看出：四等水準高程與GPS – RTK擬合高程點相比較，以四等水準高程為基準，最大較差絕對值為47mm，最小較差絕對值為7mm，通過計算得出高程點中誤差為1.7cm，規(guī)范中允許值為：不大于±2cm。靜寧縣三維數(shù)字城市建設(shè)中所需要高程數(shù)據(jù)可以用擬合高程數(shù)據(jù)代替。也就是說:在基準站點位選取比較理想，滿足規(guī)范和相目區(qū)技術(shù)要求的情況下，通過經(jīng)過檢驗的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)，GPS – RTK實時動態(tài)定位所得到的三維數(shù)據(jù)擬合高程點數(shù)據(jù)代替可以完全代替水準測量高程值。其優(yōu)勢在于GPS – RTK實時動態(tài)定位工作方式靈活，省人少力，可減輕作業(yè)人員的工作強度，提高測繪技術(shù)人員的外業(yè)工作效率。隨著GPS – RTK測量技術(shù)的日益成熟，擬合高程代替水準高程必然成為一種趨勢。上述工作曾在隴南地區(qū)成縣三維數(shù)字城市建設(shè)中取得了較為明顯的工作成效。
3. GPS – RTK附帶地形測繪
利用RTK測量技術(shù)的靈活性，可隨時加密項目區(qū)的控制點，將項目區(qū)變化區(qū)域?qū)崟r定位測量，特別是關(guān)鍵區(qū)域變化點的測量。如道路，花壇的拐角和曲線部分的關(guān)鍵點。電線桿位，信號燈。管道設(shè)施中的檢修井，變徑處，分叉處及重要拐點測繪定位，并繪制好工作草圖。
四、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
不同型號的RTK生產(chǎn)廠商，都隨儀器設(shè)備配備有數(shù)據(jù)傳輸線和下載數(shù)據(jù)軟件。數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，一般都能在文本處理軟件中打開并加工、編輯成最終成果資料。圖形在cass7.1操作環(huán)境下，結(jié)合外業(yè)手工繪制的工作草圖，繪制出最具有現(xiàn)實性的項目區(qū)基本圖形。
五、總結(jié)
由于三維數(shù)字城市建設(shè)在一些地方，仍處于一個試點、探索階段。對該類項目所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，條件不具備的測量單位，還需沿用較為傳統(tǒng)的工作方法和工作流程。隨著GPS—RTK測繪技術(shù)飛速發(fā)展，以及在越來越多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。GPS—RTK測繪技術(shù)必將成為測繪行業(yè)的主力軍。特別是在為決策部門、規(guī)化、設(shè)計部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中發(fā)揮越來越重要的作用。
六、幾點工作建議
1. 測繪技術(shù)人員具有強烈的責任心，認真負責的工作態(tài)度。工作方法嚴謹，靈活。保證外業(yè)數(shù)據(jù)采集正確性。
2. 項目中投入的各種測量設(shè)備，要經(jīng)過嚴格的檢查，使其各項精度指標達到規(guī)范要求。特別是重要設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)如：如RTK的標稱精度等等。
3. 加強測繪人員的團隊合作精神，盡可能在外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作中消滅不合格數(shù)據(jù)，保征每一項數(shù)據(jù)的正確性。
4. 作好數(shù)據(jù)的安全，保密工作，減少不必要的數(shù)據(jù)損失。
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